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混凝土開(kāi)裂的原因及對策

作者:時(shí)間:2023-11-14

混凝土開(kāi)裂可以說(shuō)是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”,經(jīng)常困擾著(zhù)工程技術(shù)人員。其實(shí),如果采取一定的設計和施工措施,很多裂縫是可以克服和控制的。


實(shí)際上,混凝土裂縫的成因復雜而繁多,甚至多種因素相互影響,但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因。本報告對混凝土裂縫的種類(lèi)和產(chǎn)生的原因作較全面的分析并提出相應的防治措施,作為大家參考。


1、荷載引起的裂縫

混凝土在常規靜、動(dòng)荷載及次應力下產(chǎn)生的裂縫稱(chēng)荷載裂縫,歸納起來(lái)主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產(chǎn)生的裂縫, 次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產(chǎn)生裂縫。


荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現不同的特點(diǎn)。這類(lèi)裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動(dòng)嚴重部位。但必須指出,如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫,往往是結構達到承載力極限的標志,是結構破壞的前兆,其原因往往是截面尺寸偏小。


2、溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì),當外部環(huán)境或結構內部溫度發(fā)生變化,混凝土將發(fā)生變形,若變形遭到約束,則在結構內將產(chǎn)生應力,當應力超過(guò)混凝土抗拉強度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中,溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。


3、收縮引起的裂縫

在實(shí)際工程中,混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見(jiàn)的。在混凝土收縮種類(lèi)中,塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因,另外還有自生收縮和炭化收縮。


塑性收縮,發(fā)生在施工過(guò)程中、混凝土澆筑后4~5小時(shí)左右,此時(shí)水泥水化反應激烈,分子鏈逐漸形成,出現泌水和水分急劇蒸發(fā),混凝土失水收縮,同時(shí)骨料因自重下沉,因此時(shí)混凝土尚未硬化,稱(chēng)為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生量級很大,可達1%左右。在骨料下沉過(guò)程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂底板交接處,因硬化前沉實(shí)不均勻將發(fā)生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮,施工時(shí)應控制水灰比,避免過(guò)長(cháng)時(shí)間的攪拌,下料不宜太快,振搗要密實(shí),豎向變截面處宜分層澆筑。


縮水收縮(干縮),混凝土結硬以后,隨著(zhù)表層水分逐步蒸發(fā),濕度逐步降低,混凝土體積減小,稱(chēng)為縮水收縮(干縮)。因混凝土表層水分損失快,內部損失慢,因此產(chǎn)生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮,表面收縮變形受到內部混凝土的約束,致使表面混凝土承受拉力,當表面混凝土承受拉力超過(guò)其抗拉強度時(shí),便產(chǎn)生收縮裂縫。混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構件(超過(guò)3%),鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯,混凝土表面容易出現龜裂裂紋。


自生收縮,自生收縮是混凝土在硬化過(guò)程中,水泥與水發(fā)生水化反應,這種收縮與外界濕度無(wú)關(guān),且可以是正的(即收縮,如普通硅酸鹽水泥混凝土),也可以是負的(即膨脹,如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。


炭化收縮,大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生,且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計算。


混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯,成龜裂狀,形狀沒(méi)有任何規律。



4、地基礎變形引起的裂縫

由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移,使結構中產(chǎn)生附加應力,超出混凝土結構的抗拉能力,導致結構開(kāi)裂。


5、鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質(zhì)量較差或保護層厚度不足,混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面,使鋼筋周?chē)炷翂A度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周?chē)入x子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應,其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來(lái)增長(cháng)約2~4倍,從而對周?chē)炷廉a(chǎn)生膨脹應力,導致保護層混凝土開(kāi)裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使得鋼筋有效斷面面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結構承載力下降,并將誘發(fā)其它形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導致結構破壞。


要防止鋼筋銹蝕,設計時(shí)應根據規范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護層厚度(當然保護層亦不能太厚,否則構件有效高度減小,受力時(shí)將加大裂縫寬度);施工時(shí)應控制混凝土的水灰比,加強振搗,保證混凝土的密實(shí)性,防止氧氣侵入,同時(shí)嚴格控制含氯鹽的外加劑用量,沿海地區或其它存在腐蝕性強的空氣、地下水地區尤其應慎重。


6、凍脹引起的裂縫

大氣氣溫低于零度時(shí),吸水飽和的混凝土出現冰凍,游離的水轉變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產(chǎn)生膨脹應力;同時(shí)混凝土凝膠孔中的過(guò)冷水(結冰溫度在-78度以下)在微觀(guān)結構中遷移和重分布引起滲透壓,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強度降低,并導致裂縫出現。尤其是混凝土初凝時(shí)受凍最嚴重,成齡后混凝土強度損失可達30%~50%。冬季施工時(shí)對預應力孔道灌漿后若不采取保溫措施也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。


7、施工材料質(zhì)量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格,可能導致結構出現裂縫。


8、施工工藝質(zhì)量引起的裂縫

在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過(guò)程中,若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣,容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進(jìn)的和貫穿的各種裂縫,特別是細長(cháng)薄壁結構更容易出現。裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異。


普通混凝土裂縫的處理方法

1、表面修復

常用的方法有壓實(shí)抹平,涂抹環(huán)氧粘結劑,噴涂水泥砂漿或細石混凝土,壓抹環(huán)氧膠泥,環(huán)氧樹(shù)脂粘貼下班絲布,增加整體面層,鋼錨栓縫合等。


表面涂抹和表面貼補法表面涂抹適用范圍是漿材難以灌入的細而淺的裂縫,深度未達到鋼筋表面的發(fā)絲裂縫,不漏水的縫,不伸縮的裂縫以及不再活動(dòng)的裂縫。表面貼補(土工膜或其它防水片)法適用于大面積漏水(蜂窩麻面等或不易確定具體漏水位置、變形縫)的防滲堵漏 。


2、局部修復法

常用的方法有充填法、預應力法,部分鑿除重新澆筑混凝土等。

用修補材料直接填充裂縫,一般用來(lái)修補較寬的裂縫,作業(yè)簡(jiǎn)單,費用低。寬度小于0.3mm,深度較淺的裂縫、或是裂縫中有充填物,用灌漿法很難達到效果的裂縫、以及小規模裂縫的簡(jiǎn)易處理可采取開(kāi)V型槽,然后作填充處理。



3、水泥壓力灌漿法

適用于縫補寬度≥0.5mm的穩定裂縫。

此法應用范圍廣,從細微裂縫到大裂縫均可適用,處理效果好。利用壓送設備(壓力0.2~0.4Mpa)將補縫漿液注入砼裂隙,達到閉塞的目的,該方法屬傳統方法,效果很好。也可利用彈性補縫器將注縫膠注入裂縫,不用電力,十分方便效果也很理想。


4、化學(xué)灌漿

可灌入縫寬≥0.05mm的裂縫。


5、減少結構內力

常用的方法有卸荷或控制荷載,設置卸荷結構,增設支點(diǎn)或支撐。改簡(jiǎn)支梁為連續梁等。


6、結構補強

常用的方法有增加鋼筋,加厚板,外包鋼筋混凝土,外包鋼,粘貼鋼板,預應力補強體系等。


因超荷載產(chǎn)生的裂縫、裂縫長(cháng)時(shí) 間不處理導致的混凝土耐久性降低、火災造成的裂縫等影響結構強度可采取結構補強法。包括斷面補強法、錨固補強法、預應力法等混凝土裂縫處理效果的檢查包括修補材料試驗;鉆心取樣試驗;壓水試驗;壓氣試驗等。


7、改變結構方案,加強整體剛度

例如:框架裂縫采用增設隔板深梁法處理。


8、混凝土置換法

混凝土置換法是處理嚴重損壞混凝土的一種有效方法,此方法是先將損壞的混凝土剔除,然后再置換入新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有:普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。


9、電化學(xué)防護法

電化學(xué)防腐是利用施加電場(chǎng)在介質(zhì)中的電化學(xué)作用,改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài),鈍化鋼筋,以達到防腐的目的。陰極防護法、氯鹽提取法、堿性復原法是化學(xué)防護法中常用而有效的三種方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是防護方法受環(huán)境因素的影響較小,適用鋼筋、混凝土的長(cháng)期防腐,既可用于已裂結構也可用于新建結構。



10、仿生自愈合法

仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法,它模仿生物組織對受創(chuàng )傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì),而使創(chuàng )傷部位得到愈合的機能,在混凝土的傳統組分中加入某些特殊組分(如含粘結劑的液芯纖維或膠囊),在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統,當混凝土出現裂縫時(shí)分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。


11、其它方法

常用方法有拆除重做,改善結構使用條件,通過(guò)試驗或分析論證不作處理等。


大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土結構中,由于結構截面大,水泥用量多,水泥水化所釋放的水化熱會(huì )產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用,由此形成的溫度收縮應力是導致鋼筋混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。


這種裂縫有表面裂縫和貫通裂縫兩種。表面裂縫是由于混凝土表面和內部的散熱條件不同,溫度外低內高,形成了溫度梯度,使混凝土內部產(chǎn)生壓應力,表面產(chǎn)生拉應力,表面的拉應力超過(guò)混凝土抗拉強度而引起的。貫通裂縫是由于大體積混凝土在強度發(fā)展到一定程度,混凝土逐漸降溫,這個(gè)降溫差引起的變形加上混凝土失水引起的體積收縮變形,受到地基和其他結構邊界條件的約束時(shí)引起的拉應力,超過(guò)混凝土抗拉強度時(shí)所可能產(chǎn)生的貫通整個(gè)截面的裂縫。


這兩種裂縫不同程度上,都屬有害裂縫。高強度的混凝土早期收縮較大,這是由于高強混凝土中以30%~60%礦物細摻合料替代水泥,高效減水劑摻量為膠凝材料總量的1%~2%,水膠比0.25~0.40,改善了混凝土的微觀(guān)結構,給高強混凝土帶來(lái)許多優(yōu)良特性,但其負面效應最突出的是混凝土收縮裂縫幾率增多。高強混凝土的收縮,主要是干燥收縮、溫度收縮、塑性收縮、化學(xué)收縮和自收縮。


混凝土初現裂紋的時(shí)間可以作為判斷裂紋原因的參考:塑性收縮裂紋大約在澆筑后幾小時(shí)到十幾小時(shí)出現;溫度收縮裂紋大約在澆筑后2到10d出現;自收縮主要發(fā)生在混凝土凝結硬化后的幾天到幾十天;干燥收縮裂紋出現在接近1年齡期內。


1、干燥收縮

當混凝土在不飽和空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水時(shí),就會(huì )產(chǎn)生干縮,高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低,故干縮率也低。


2、塑性收縮

塑性收縮發(fā)生在混凝土硬化前的塑性階段。高強混凝土的水膠比低,自由水分少,礦物細摻合料對水有更高的敏感性,高強混凝土基本不泌水,表面失水更快,所以高強混凝土塑性收縮比普通混凝土更容易產(chǎn)生。


3、自收縮

密閉的混凝土內部相對濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低,稱(chēng)為自干燥。自干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產(chǎn)生負壓,因而引起混凝土的自收縮。高強混凝土由于水膠比低,早期強度較快的發(fā)展,會(huì )使自由水消耗快,致使孔體系中相對濕度低于80%,而高強混凝土結構較密實(shí),外界水很難滲入補充,導致混凝土產(chǎn)生自收縮。


高強混凝土的總收縮中,干縮和自收縮幾乎相等,水膠比越低,自收縮所占比例越大。與普通混凝土完全不同,普通混凝土以干縮為主,而高強混凝土以自收縮為主。


4、溫度收縮

對于強度要求較高的混凝土,水泥用量相對較多,水化熱大,溫升速率也較大,一般可達35~40℃,加上初始溫度可使最高溫度超過(guò)70~80℃。一般混凝土的熱膨脹系數為10×10-6/℃,當溫度下降20~25℃時(shí)造成的冷縮量為2~2.5×10-4,而混凝土的極限拉伸值只有1~1.5×10-4,因而冷縮常引起混凝土開(kāi)裂。


5、化學(xué)收縮

水泥水化后,固相體積增加,但水泥-水體系的絕對體積則減小,形成許多毛細孔縫,高強混凝土水膠比小,外摻礦物細摻合料,水化程度受到制約,故高強混凝土的化學(xué)收縮量小于普通混凝土。


當混凝土發(fā)生收縮并受到外部或內部約束時(shí),就會(huì )產(chǎn)生拉應力,并有可能引起開(kāi)裂。對于高強混凝土雖然有較高的抗拉強度,可是彈性模量也高,在相同收縮變形下,會(huì )引起較高的拉應力,而由于高強混凝土的徐變能力低,應力松弛量較小,所以抗裂性能差。


大體積混凝土有害、無(wú)害裂縫判別標準

原則上與核安全有關(guān)的鋼筋混凝土不允許出現裂縫,尤其是反應堆廠(chǎng)房底板、安全殼筒身及穹頂、汽輪機廠(chǎng)房蝸殼泵等重要部位嚴禁產(chǎn)生裂縫,其他部位應盡可能控制裂縫的產(chǎn)生。

但是由于各種原因不可避免的產(chǎn)生各種裂縫,為了明確當混凝土出現裂縫時(shí)如何判別其是否有害、無(wú)害?為此,福清核電各單位(業(yè)主、監理、工程公司、施工單位)經(jīng)過(guò)認真研討,確定了混凝土裂縫判別標準:

1、無(wú)害裂縫:δf≤0.3mm 深度h≤0.5H

δf≤0.2mm 貫穿(自愈性)

1.0mm≥δf>0.3mm L≤0.1B


2、有害裂縫(滿(mǎn)足下列條件之一):

Δf>0.3mm 縱深裂縫、 h>0.5H;

Δf>0.2mm 貫穿全截面;裂縫影響使用功能(有滲透、透氣、透射線(xiàn)等要求,且滿(mǎn)足其中之一即可);

Δf>0.3mm 非貫穿,可能引起鋼筋銹蝕裂縫;降低結構承載力的裂縫。


3、各符號的含義:

Δf——裂縫寬度 L——裂縫長(cháng)度

h——裂縫深度 H——裂縫深度

B——沿裂縫長(cháng)方向的結構寬度,如澆筑后的沉縮(塑性裂縫)


無(wú)害裂縫處理方法

1、二次壓面法

對于新澆混凝土收縮裂縫,該裂縫多在新澆筑并暴露于空氣中的結構構件表面出現,有塑態(tài)收縮、沉降收縮、干燥收縮、碳化收縮、凝結收縮等收縮裂縫,這種裂縫不深也不寬,處理方法如下:

1)如混凝土仍有塑性,可采取壓抹一遍的方法,并加強養護。

2)如混凝土已硬化,可向裂縫內滲入水泥漿,然后用鐵抹子抹平壓實(shí)。


2、表面涂抹砂漿法

處理時(shí)將裂縫附近的混凝土表面鑿毛或沿裂縫鑿成深15—20mm寬100—200mm凹槽,掃凈并灑水濕潤。


先刷水泥凈漿(業(yè)主批準適用的界面劑)一度,然后用1:1~2水泥砂漿分2~3層,涂抹總厚10~20mm壓光。有滲漏水時(shí),應用水泥凈漿(厚2mm)和1:2.5水泥砂漿(厚4-5mm可慘入1—3%于水泥重量的氯化鐵防水劑)交替抹壓4-5層,涂抹后3-4小時(shí)進(jìn)行覆蓋并灑水養護。



3、表面涂抹環(huán)氧膠泥(或粘貼環(huán)氧玻璃布)法

涂抹前,將裂縫附近表面清洗干凈(油污應用丙酮或二甲苯擦洗凈)、干燥。較寬裂縫用環(huán)氧膠泥填塞,并將膠泥均勻地涂刮壓裂縫表面,寬80-100mm。基層干燥有困難時(shí)可以用環(huán)氧煤焦油膠泥。需要粘貼環(huán)氧玻璃布時(shí),先將玻璃布脫鈉、干燥,視具體情況可作成一布二油(或二布三油,第二層布的周?chē)鷳认乱粚訉?0~15mm)。


4、表面鑿槽嵌補法

當裂縫稀少,但深度較深時(shí),沿混凝土裂縫鑿一條V型或U型槽,槽內表面應修理平整,清洗干凈,并保持槽內干燥。槽內嵌入剛性材料如水泥砂漿、環(huán)氧膠泥,或填灌柔性材料如聚氯乙烯膠泥、瀝青油膏等密封。密封材料嵌入前,先涂刷與嵌填材料混凝土性質(zhì)的稀釋涂料(表面可作砂漿保護層或不作保護層),具體做法見(jiàn)圖1。


圖1 表面鑿槽修補裂縫的處理方法


(a)一般裂縫處理

(b)滲水裂縫處理

(c)活動(dòng)裂縫處理

(d)活動(dòng)裂縫擴展后的情況:1—裂縫; 2—水泥砂漿或環(huán)氧膠泥; 3—聚氧乙烯; 4—1:2.5水泥砂漿或剛性防水五層做法;5—密封材料;6—隔離緩沖區;B—槽寬;δ—裂縫活動(dòng)距離


注:對于施工縫表面的裂縫,處理時(shí)可在與其連接的施工段混凝土澆筑前,按表面鑿槽嵌補法的要求在裂縫位置處鑿V型或U型槽,該槽內不再填充其他填充物,由該連接施工段澆筑的結構混凝土填充,以保證施工縫處混凝土。


5、表面貼條法

對于裂縫移動(dòng)范圍不限于一個(gè)平面并有防水要求不便鑿槽修補的活裂縫,可將一條具有柔性的聚丁橡膠密封條置于裂縫上面,用聚丁橡膠粘結劑將周邊粘結于混凝土上(見(jiàn)圖2),使密封條中部能隨裂縫活動(dòng)而自由活動(dòng),長(cháng)的裂縫可分段為粘結,分段為密封條的連接采用聚丁橡膠粘貼搭接,搭接處上下壓搓應切成斜面搭接,長(cháng)度100mm。



圖2 柔性密封帶表面粘貼


1—裂縫 2—油氈或塑料隔離層;3—聚丁橡膠密封條;4—粘結劑


有害裂縫處理方法

1、水泥灌漿法

鉆孔:采用風(fēng)鉆鉆孔,孔距1-1.5m除淺孔采用騎縫孔外一般占孔軸線(xiàn)與裂縫呈30—45·斜角(見(jiàn)圖3),孔深應穿過(guò)裂縫面0.5m以上,當鉆孔有兩排或兩排以上時(shí),宜交叉或呈梅花形布置。



圖3鉆孔示意

1—裂縫,2—齊縫口,3—斜孔


沖洗:鉆孔完畢后,應用水沖洗,按豎向排列自上而下逐孔進(jìn)行。

密封:縫面沖洗凈后,在裂縫表面用1:1~2水泥砂漿或環(huán)氧膠泥涂抹。

埋管:一般用?19-38的鋼管作灌漿管(鋼管上端加工絲扣),安裝前在鋼管外壁用生膠帶纏緊,然后旋入孔中,孔中管壁周?chē)目障队盟嗌皾{或硫磺砂漿封堵,以防冒漿或灌漿管沖孔中脫出。

試壓:用0.1-0.2MPa壓力水作滲水試驗,采取灌漿孔壓水,排水孔排水的方法檢查裂縫和管路暢通情況,然后關(guān)閉排氣孔檢查止漿堵漏效果,并濕潤縫面,以利粘結。

灌漿:合格的經(jīng)設計批準使用的填縫用注射性水泥,水泥凈將水灰比為0.4,灌漿壓力0.3—0.5MPa。在整條裂縫處理完畢后,孔內應充滿(mǎn)凈漿,并填入凈砂用棒搗實(shí)。


2、化學(xué)灌漿法

鉆孔:采用風(fēng)鉆鉆孔,孔距1-1.5m除淺孔采用騎縫孔外一般占孔軸線(xiàn)與裂縫呈30—45·斜角(見(jiàn)圖3),孔深應穿過(guò)裂縫面0.5m以上,當鉆孔有兩排或兩排以上時(shí),宜交叉或呈梅花形布置;

密封:縫面沖洗凈后,在裂縫表面用1:1~2水泥砂漿或環(huán)氧膠泥涂抹。

埋管:一般用?19-38的鋼管作灌漿管(鋼管上端加工絲扣),安裝前在鋼管外壁用生膠帶纏緊,然后旋入孔中,孔中管壁周?chē)目障队盟嗌皾{或硫磺砂漿封堵,以防冒漿或灌漿管沖孔中脫出。

試壓:用0.2-0.3MPa壓縮空氣進(jìn)行壓力實(shí)驗;

灌漿:采用環(huán)氧樹(shù)脂漿液進(jìn)行灌漿。